基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

楊 明，楊建國(guó)，宋 楊，強(qiáng)承魁

（徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221006）

0 引 言

農(nóng)業(yè)大棚是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一[1]，是推動(dòng)農(nóng)業(yè)科技與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相結(jié)合、帶動(dòng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的最直接表現(xiàn)形式。溫室大棚作為設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用最廣的產(chǎn)品， 目前，中小型溫室的環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)產(chǎn)品，多為國(guó)內(nèi)廠家提供，檢測(cè)與控制技術(shù)主要基于ZigBee、DS18B20、PLC以及單片機(jī)等。這些產(chǎn)品雖然能夠滿足溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制要求，但產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化尚不夠理想，成本較高。

為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境智能檢測(cè)與控制，使大棚內(nèi)的作物正常生長(zhǎng)，必須對(duì)棚內(nèi)環(huán)境，如CO2濃度、光照度、空氣和土壤的溫濕度等要素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[2-3]，滿足作物生長(zhǎng)需求。由于不同的作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求不同，或者用戶對(duì)監(jiān)測(cè)要素的特別需要，如何在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)靈活調(diào)整環(huán)境監(jiān)控要素，在降低設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，又便于用戶的使用和維護(hù)，為此開發(fā)研制一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境自動(dòng)檢測(cè)和控制裝置，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。

1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)依托傳感器技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)以及傳統(tǒng)的溫室大棚作物生產(chǎn)工藝，針對(duì)溫室大棚基本環(huán)境正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)的控制要求，而設(shè)計(jì)的具有較高可靠性、安全性以及可擴(kuò)展性的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)[4-7]，主要包括：溫室大棚土壤濕度監(jiān)測(cè)與控制模塊、溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)與控制模塊、溫室大棚CO2濃度監(jiān)測(cè)與控制模塊、溫室大棚光照度監(jiān)測(cè)與控制模塊。

系統(tǒng)主要采用最新的工業(yè)級(jí)傳感器采集信息，利用RS 485通信將變送器輸出的信號(hào)和PC連接，以實(shí)時(shí)顯示環(huán)境信息。同時(shí)將變送器輸出的4～20 mA電流放大后，自動(dòng)控制相關(guān)負(fù)載工作，使環(huán)境參數(shù)符合規(guī)定要求。本項(xiàng)目還采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)（基于WiFi技術(shù)），必要時(shí)遠(yuǎn)程控制負(fù)載工作。當(dāng)環(huán)境參數(shù)超出規(guī)定的數(shù)值時(shí)，同時(shí)還具備短信報(bào)警功能（基于GSM技術(shù)）。

系統(tǒng)硬件采用環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)的模塊化產(chǎn)品，故障少，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好；軟件立足自主開發(fā)，界面簡(jiǎn)練清晰，便于用戶操作[8-9]。同時(shí)，該系統(tǒng)緊緊抓住作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，簡(jiǎn)化了監(jiān)控對(duì)象，加上模塊化的產(chǎn)品組裝，簡(jiǎn)單的用戶培訓(xùn)，都使產(chǎn)品成本降低。

2 技術(shù)方案

溫室大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)的環(huán)境要素主要有：CO2濃度、PM2.5濃度、光照度、空氣和土壤的溫濕度以及土壤的養(yǎng)分含量（如氮、磷、鉀）等。為了便于開展模塊化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇了作物生長(zhǎng)最基本的四個(gè)要素：土壤的濕度、CO2濃度、光照度和空氣溫濕度展開設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的環(huán)境信息采集、處理、輸出和控制原理如圖1所示。

圖1 溫室大棚環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)模塊化工作原理

圖中，溫室大棚作物生長(zhǎng)的基本環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)土壤水分變送器、CO2變送器、光照度變送器和空氣溫濕度變送器負(fù)責(zé)采集，采集到的信息通過(guò)變送后，分兩路信號(hào)向外輸出，一路數(shù)據(jù)經(jīng)RS 485總線傳輸，并由RS 485轉(zhuǎn)RS 232模塊（或USB模塊）與PC相連，通過(guò)相應(yīng)的軟件實(shí)時(shí)顯示溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息；另一路數(shù)據(jù)變送為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流，輸入到智能變送儀，去控制其自帶的繼電器（負(fù)載較大時(shí)需外接繼電器或接觸器）常開或常閉觸點(diǎn)，來(lái)自動(dòng)控制相應(yīng)負(fù)載的工作狀態(tài)，進(jìn)行澆灌、噴淋、補(bǔ)光或施肥等操作。同時(shí)智能變送儀上繼電器觸點(diǎn)的通斷也會(huì)觸發(fā)短信報(bào)警功能。WiFi模塊的作用是通過(guò)手機(jī)APP軟件遠(yuǎn)程控制負(fù)載的工作。

由圖1模塊化設(shè)計(jì)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)原理可以看出，本系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)，并可以根據(jù)作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的要求或用戶對(duì)監(jiān)測(cè)要素的特別需要，而設(shè)計(jì)的模塊化以及可擴(kuò)展的在線監(jiān)控與管理系統(tǒng)。

3 模塊化溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

按照模塊化設(shè)計(jì)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的工作原理圖，即可展開系統(tǒng)的諸模塊電路設(shè)計(jì)，包括電源模塊、變送器信號(hào)傳輸和設(shè)備控制模塊、WiFi遠(yuǎn)程控制模塊、短信報(bào)警模塊以及繼電器控制模塊等，選用的變送器均為國(guó)內(nèi)某知名廠家的產(chǎn)品。

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，系統(tǒng)的電源采用體積小、功耗低和穩(wěn)壓范圍寬的開關(guān)電源模塊，輸入電壓為AC 220 V，輸出電壓為DC 12 V，可以向系統(tǒng)的子模塊提供穩(wěn)定的直流電源。

圖2 電源模塊接線圖

3.2 變送器信號(hào)傳輸和設(shè)備控制模塊化設(shè)計(jì)

圖3為土壤水分監(jiān)測(cè)與控制模塊電路，圖4為繼電器控制模塊電路。圖3中的土壤水分變送器選用國(guó)內(nèi)某知名廠家的產(chǎn)品，該土壤水分變送器的性能具有精度高、響應(yīng)快、輸出穩(wěn)定和受土壤含鹽量影響較小等特點(diǎn)，適用于各種土質(zhì)，可長(zhǎng)期埋入土壤中。智能變送器型號(hào)為XMT604B，工作電壓為AC/DC 85～260 V，繼電器觸點(diǎn)允許通過(guò)的最大電流為0.3 A。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，本系統(tǒng)選用了智能變送器控制負(fù)載工作，而非一體式工控模塊，原因是智能變送器呈現(xiàn)了測(cè)量精度高、工作可靠和輸出信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，避免了一體式工控模塊出現(xiàn)的多點(diǎn)輸出信號(hào)易干擾、控制負(fù)載不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

圖3 土壤水分監(jiān)測(cè)與控制模塊電路

自動(dòng)澆灌的工作過(guò)程為：土壤水分變送器采集到的信息分兩路信號(hào)向外輸出，一路輸出RS 485信號(hào)，經(jīng)過(guò)RS 485總線傳輸至PC（PC上若不帶RS 485接口，可以通過(guò)RS 232模塊或USB模塊轉(zhuǎn)接到PC），配合廠家提供的監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)時(shí)顯示土壤的水分狀態(tài)；另一路0～20 mA模擬信號(hào)輸出到智能變送儀1，模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)變送后，控制智能變送儀自帶的繼電器K21動(dòng)作，即當(dāng)土壤缺水時(shí)，變送儀輸出的電流變小，當(dāng)?shù)陀谧兯蛢x設(shè)置的下限時(shí)，繼電器K21得電，K21常開觸點(diǎn)閉合。由圖4可知，中間繼電器K1得電，K1的常開觸點(diǎn)閉合，水泵電機(jī)開始工作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)澆灌。當(dāng)土壤水分增加時(shí)，變送儀輸出的電流變大，超過(guò)變送儀設(shè)置的上限時(shí)，繼電器K21失電，K21常開觸點(diǎn)打開，中間繼電器K1失電，K1的常開觸點(diǎn)打開，水泵電機(jī)停止工作，澆灌自動(dòng)結(jié)束。

圖4 繼電器控制模塊電路

圖5為CO2濃度監(jiān)測(cè)與控制模塊電路圖，與圖3的自動(dòng)澆灌模塊電路圖對(duì)比可知，由于采用了模塊化電路設(shè)計(jì)方案，雖然變送模塊不同，但其信號(hào)的輸出、放大，信息的顯示以及負(fù)載的控制等，電路工作模式是相同的。其工作過(guò)程為：CO2變送器采集到的信息分兩路信號(hào)向外輸出，一路輸出RS 485信號(hào)，經(jīng)過(guò)RS 485總線傳輸至PC，實(shí)時(shí)顯示溫室大棚的CO2濃度；另一路0～20 mA模擬信號(hào)輸出到智能變送儀2，當(dāng)溫室內(nèi)CO2濃度降低時(shí)，CO2變送器輸出的電流變小，當(dāng)?shù)陀谧兯蛢x2設(shè)置的下限時(shí)，變送儀2自帶的繼電器K22得電，K22常開觸點(diǎn)閉合。由圖4可知，中間繼電器K2得電，K2的常開觸點(diǎn)閉合，CO2發(fā)生器開始工作，溫室內(nèi)CO2濃度增加，實(shí)現(xiàn)了CO2自動(dòng)施肥。當(dāng)溫室內(nèi)CO2濃度增加時(shí)，變送儀2輸出的電流變大，超過(guò)其設(shè)置的上限時(shí)，繼電器K22失電，K22常開觸點(diǎn)打開，中間繼電器K2失電，K2的常開觸點(diǎn)打開，CO2發(fā)生器停止工作，CO2自動(dòng)施肥結(jié)束。

同理，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還可以依據(jù)作物對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境的需求或用戶的需要，增加其他種類的傳感器變送模塊。比如溫室大棚光照度監(jiān)測(cè)與控制模塊以及空氣溫濕度監(jiān)測(cè)與控制模塊等，并按照模塊化電路的設(shè)計(jì)原理來(lái)設(shè)計(jì)電路，即可實(shí)現(xiàn)不同的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制功能，如圖6和圖7所示。

3.3 WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

水泵電機(jī)還可以通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制負(fù)載工作，如圖8所示。首先在手機(jī)上安裝APP軟件（本系統(tǒng)采用了開放的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)—易微聯(lián)），與WiFi模塊配對(duì)成功后，通過(guò)手機(jī)端就可以遠(yuǎn)程控制負(fù)載的工作。例如在易微聯(lián)APP軟件上打開水泵開關(guān)，WiFi模塊上的K11開關(guān)閉合，從圖3可以看到，當(dāng)K11閉合后，水泵開始工作，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。其余負(fù)載的遠(yuǎn)程控制工作過(guò)程與此相同。

圖5 CO2濃度監(jiān)測(cè)與控制模塊電路

圖6 光照度監(jiān)測(cè)與控制模塊電路

圖7 空氣溫濕度監(jiān)測(cè)與控制模塊電路

圖8 WiFi遠(yuǎn)程控制模塊電路

3.4 短信報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

圖9為基于GPRS技術(shù)的短信報(bào)警模塊電路，選用了可接收8個(gè)開關(guān)量信號(hào)的模塊。當(dāng)外界裝置觸發(fā)，信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)短信報(bào)警模塊向綁定的手機(jī)發(fā)出信號(hào)，以便用戶獲取相應(yīng)的信息。該電路工作過(guò)程如下：當(dāng)變送器檢測(cè)的土壤水分、CO2濃度、光照度或大棚溫濕度信號(hào)超限時(shí)，智能變送儀上的K21～K25上的常開觸點(diǎn)動(dòng)作，觸發(fā)信號(hào)對(duì)應(yīng)輸入到短信報(bào)警模塊的1～5接口，模塊通過(guò)移動(dòng)信號(hào)向用戶發(fā)送事先錄入的短信內(nèi)容。本短信報(bào)警模塊根據(jù)需要，也可聯(lián)動(dòng)控制外部設(shè)備，如報(bào)警器等。

圖9 短信報(bào)警模塊接線圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

該系統(tǒng)主要模塊變送器型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）CO2變送器型號(hào)為RS-CO2-N01（I20）-2，CO2濃度測(cè)量范圍為0～5 000 ppm，精度為±（40 ppm+3%F·S）（25 ℃）；測(cè)量環(huán)境的溫度為-40～80 ℃，測(cè)量環(huán)境的濕度為0～100%RH。

（2）土壤水分變送器型號(hào)為RS-WS-N01（I20）-TR。變送器測(cè)量范圍為0～100%RH（相對(duì)濕度），水分精度為±3%，存儲(chǔ)環(huán)境為-40～80 ℃。

（3）光照度變送器型號(hào)為 RS-GZ-N01（I20）-02；光照度量程為0～2×105Lux（25 ℃）；精度為±7%（25 ℃）；測(cè)量環(huán)境溫度為-20～60 ℃；測(cè)量環(huán)境濕度為0～80%RH。

（4）空氣溫濕度變送器型號(hào)為RS-WS-N01（I20）-SMGFL；溫度測(cè)量范圍為-40～80 ℃，溫度精度為±0.5 ℃；濕度測(cè)量范圍為0～100%RH，濕度精度為±3%RH。

根據(jù)溫室大棚環(huán)境特點(diǎn)及各主要模塊技術(shù)指標(biāo)參數(shù)，系統(tǒng)功能測(cè)試地點(diǎn)選擇學(xué)院琴湖果蔬大棚，本次測(cè)試內(nèi)容為實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤濕度、二氧化碳濃度以及光照度等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2019年10月12日，并上報(bào)至管理控制平臺(tái)。

經(jīng)測(cè)試，由于中東部地區(qū)10月份天氣以晴朗為主，溫度和土壤濕度變化不大，但是由于晝夜交替，CO2濃度隨著光照影響發(fā)生變化。數(shù)據(jù)表明，在11：00左右CO2濃度降至谷底，18：00以后，CO2濃度回升，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置CO2濃度為750 ppm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟，濃度達(dá)到1 000 ppm時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉；光照度設(shè)置為1 500 Lux時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)開啟，光照度達(dá)到3 500 Lux時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。通過(guò)數(shù)據(jù)測(cè)試，監(jiān)測(cè)終端能夠穩(wěn)定采集數(shù)據(jù)，檢測(cè)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示并及時(shí)開啟響應(yīng)設(shè)備。系統(tǒng)功能完備，工作穩(wěn)定性較好。

5 結(jié) 語(yǔ)

借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依據(jù)模塊化的電路設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以按照用戶及作物生長(zhǎng)的需要，合理選擇環(huán)境監(jiān)控要素，諸如空氣溫濕度、光照度、土壤水分濕度以及二氧化碳濃度等參數(shù)，靈活設(shè)計(jì)電路。模塊化的電路設(shè)計(jì)方法，在保證實(shí)時(shí)獲取溫室環(huán)境信息、負(fù)載（澆灌、通風(fēng)換氣、加溫、補(bǔ)光等）的自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制以及短信報(bào)警等功能的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)化管理，減輕了設(shè)計(jì)人員的工作負(fù)擔(dān)，降低了用戶成本，并為以后的產(chǎn)品制造、安裝和維護(hù)帶來(lái)了方便，提高了經(jīng)濟(jì)效益。